Авторы:
Бойко Е.Н., Федоров О.В., Мельников В.А.
Аннотация:
Разработана методика проведения экспериментальных исследований процесса разрушения эквивалента угольного пласта режущим инструментом с вращающейся режущей частью.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами:
Добыча угля подземным способом из пологих пластов в настоящее время ведется, в основном, с использованием очистных комбайнов. Наиболее широкое применение получили очистные комбайны со шнековыми исполнительными органами из-за ряда их преимуществ. Известно, что режущий инструмент, которым оснащаются исполнительные органы комбайнов, работает в сложных условиях. Серийно изготавливаемый режущий инструмент - резцы типа ЗР4-80, РКС-2 и РГ-501 - требуют практически ежесменной замены, что занимает примерно 25% времени от продолжительности смены [1]. Кроме того, серийно выпускаемые резцы оказались недостаточно прочными для возросшей мощности двигателей комбайнов и подвержены частым поломкам. Оставшиеся в резцедержателях хвостовики резцов весьма трудно извлечь. Поэтому на замену режущего инструмента тратится время, значительно большее установленной нормы, что ведет к увеличению времени простоев комбайна, обусловленных техническими причинами, и к снижению его технической производительности. Также следует отметить, что разрушение угольного массива исполнительными органами современных узкозахватных комбайнов сопровождается высокими удельными энергозатратами, переизмельчением угля и большим пылевыделением [2]. Поэтому в настоящее время актуален вопрос создания такого режущего инструмента, который производил бы разрушение угольного пласта при малых удельных энергозатратах и имел бы высокую износостойкость, а следовательно и малый расход.
Анализ исследований и публикаций:
Режущий инструмент, которым оснащаются исполнительные органы очистных и проходческих комбайнов, по характеру взаимодействия с массивом разделяют на два типа. К первому из них относятся резцы. Таким режущим инструментом оснащаются, как правило, исполнительные органы очистных комбайнов, а также исполнительные органы проходческих комбайнов при проведении выработок по относительно мягким породам. Резцы бывают радиальные (например, резец типа ЗР4-80), размещаемые в резцедержателях перпендикулярно к вектору скорости резания , и тангенциальные (например, РКС-2), устанавливаемые под некоторым углом к этому вектору. Особенностью резцов является то, что при перемещении их относительно пласта или массива породы возникают силы трения скольжения, которые и обуславливают значительный износ режущего инструмента [3, 4]. Ко второму типу режущего инструмента относятся шарошки (дисковые, штыревые и др.) [5], которыми оснащаются, как правило, исполнительные органы проходческих комбайнов при проведении выработок по крепким и весьма крепким породам - известнякам, песчаникам и др. Отличительной особенностью шарошек является то, что относительно массива породы они перемещаются путем перекатывания, а разрушение породы производят смятием [6]. Расход шарошечного инструмента всегда меньше расхода резцов [7]. Следует отметить также, что режущий инструмент не используют в одних из важных с точки зрения механического разрушения свойств горных пород, - сопротивление разрушению породы (и угля) путем растяжения (сдвига). В 10-15 раз ниже сопротивления разрушению путем сжатия. Поэтому режущий инструмент должен сочетать в себе преимущества резцового и шарошечного режущего инструмента и создавать в разрушаемом массиве угля или породы растягивающее или хотя бы комбинированное напряженное состояние, в котором преобладали бы напряжения сдвига и растяжения. Такой режущий инструмент будет износостойкий и обеспечит разрушение угля или породы при малых удельных энергозатратах. .
Постановка задачи:
Для создания режущего инструмента, который сочетал бы в себе преимущества указанных его типов, т.е. производил разрушение пласта при малых удельных энергозатратах и имел бы высокую износостойкость и прочность, необходимо установить особенности и характер усилий, формирующихся на гранях режущего инструмента.
Изложение материала и результаты:
Выполнены специальные тензометрические исследования процесса разрушения углецементного массива (блока) и формирования усилий на гранях инструмента с вращающейся режущей частью свидетельствуют о неравномерном характере сил, формирующихся на его гранях, рис. 1. Рассмотрим процесс разрушения массива указанным режущим инструментом. При установке инструмента таким образом, что ось вращения его режущей части перпендикулярна где - диаметр режущего инструмента; и разрушать массив путем смятия, как шарошечный инструмент. Если же инструмент установить таким образом, что ось его вращения совпадает с (рис. 2б), инструмент превращается в обычный резец и при перемещении его с той же скоростью частота вращения равна нулю. Разрушение массива производится путем раздавливания уступа высотой равной толщине среза, т.е. проявляются все признаки резца. Такая схема установки используется только при теоретическом анализе. Разрушение массива производится комбинированным способом - частично смятием, частично отрывом. Так как инструмент выполняется в виде свободно вращающегося на оси диска с непрерывным клиновидным лезвием, а его конусная поверхность, при определенных параметрах, создает в массиве комбинированное напряженное состояние, то данный способ разрушения может быть достигнут и при первой схеме установки инструмента. Для рассматриваемой установки режущего инструмента разрушения пласта. На рис. 3 представлена схема усилий, действующих на инструмент с вращающейся режущей частью при разрушении пласта. На режущую часть действует реакция массива, определенная по параболической кривой [5]. Равнодействующая распределенных сил расположена под углом к оси и может быть разложена на три составляющие: - усилие перекатывания, - усилие подачи и - боковое усилие. Усилия, формирующиеся на гранях режущего инструмента при разрушении массива, крайне неравномерны (рис. 1). Их величина и характер обуславливаются сопротивляемостью пласта резанию, толщиной и шириной среза, длиной скола массива и другими факторами [2]. Пренебрегая малыми сколами, мгновенные значения усилий, формирующихся на вращающемся режущем инструменте при разрушении пласта, представим в виде кусочно-линейной функции пути, пройденного инструментом, рис. 4, [2]: Из приведенных выражений следует, что формирующиеся на режущем инструменте с вращающейся режущей частью усилия при разрушении пласта представляют собой суммы произведений случайных величин.
Выводы и направление дальнейших исследований:
Таким образом, на основании выполненных исследований получено, что формирующиеся на режущем инструменте с вращающейся режущей гранью усилия являются случайными многомерными величинами, случайный характер которых обусловлен характером тех же факторов, что и для радиальных резцов. Кроме того, разрушение массива рассматриваемым режущим инструментом имеет ярко выраженный характер процесса скалывания.
Список источников:
1.Коршунов А.Н., Дергунов Д.М., Корчуганов Ф.В. К вопросу исследования процесса разрушения угля дисковыми шарошками // Механизация горных работ. – Кемерово: 1971. – № 32. – с. 3-11.
2.Особенности формирования сил на гранях режущего инструмента с вращающейся режущей частью / Н.Г. Бойко, Е.Н. Бойко, О.В. Федоров, В.А. Мельников // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Гірничо-електромеханічна”. – Донецьк: ДонНТУ, 2006. № 104. – С. 5-9.
3.Протодъяконов М.М., Гедер Р.И. Исследование процесса разрушения угля методом крупного скола. – М.: Гостехиздат, 1960. – 104 с.
4.Резание угля / А.И. Берон, А.С. Казанский, Б.М. Лейбов, Е.З. Познин. – М.: Недра, 1962. – 442 с.
5.Новик Е.Э. Сопротивляемость углей разрушению режущими инструментами. – М.: “Наука”, 1972. – 240 с.
6.Исполнительные органы очистных комбайнов для тонких пологих пластов / Н.Г. Бойко, А.В. Болтян, В.Г. Шевцов, Н.А. Марков / Под ред. Н.Г. Бойко. – Донецк, «Донеччина». – 1996. – 223 с.
7.Результаты исследования процесса разрушения углей дисковыми шарошками / А.Н. Коршунов, Д.М. Дергунов, А.Б. Логов, Б.Л. Герикe // Физико-механические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1975. – №5. – с. 118-120.
8.Тимошенко Г.М., Зима П.Ф. Теория инженерного эксперимента. – К.: УМК ВО, 1991. – 124 с.